聚全氟乙丙烯基导热绝缘复合材料的制备及其性能研究

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随着现代电子设备不断朝着高度集成化、小型化和多功能化的方向发展,设备的功率密度和工作效率不断提高,产生的热量也急剧增加,散热问题逐渐成为制约新一代电子设备发展的瓶颈问题。并且随着电子设备使用频率的不断提高和应用场合的逐渐扩大,对导热复合材料提出了更多的性能要求。在制备导热复合材料的过程中为获得良好导热性能往往会添加高含量导热填料,高固含量会导致复合材料的黏度大幅提高,导热填料的分散混合效果变差,加工成型变得极为困难。因此,提出一种简单易行、经济环保以及能大规模制造聚合物基导热绝缘复合材料的新方法和制备出一种具有高热导率、良好电绝缘性和力学性能能应用在各种场合的导热绝缘复合材料具有重要的研究意义。本文设计并制造了一台高效混炼设备-推拉混炼仪,利用软件模拟分析揭示了推拉混炼仪受体积拉伸形变支配,并介绍了导热填料在体积拉伸形变作用下在聚合物基体中的分散混合机理。与剪切形变支配的Brabender密炼机相比,推拉混炼仪采用更少的加工时间就能使导热填料达到相同的分散混合效果。利用体积拉伸形变作用制备聚全氟乙丙烯/纳米六方氮化硼(FEP/nm HBN)复合材料,通过SEM观察复合材料的微观形貌,通过TG、DSC和XRD研究复合材料的热稳定性和结晶性能,同时还研究了复合材料的流变性能、导热性能、介电性能和力学性能。结果表明,复合材料的热稳定性随着导热填料含量的增加而明显提高,与FEP基体相比,含9%nm HBN复合材料的T50%、Tmax和Te分别提高了32.5℃、30.6℃和21.8℃。添加导热填料之后,复合材料的膜间热导率从FEP基体的0.114 W/(m·K)提升到导热填料含量为20%的0.262 W/(m·K),膜内热导率提升到1.493 W/(m·K)。利用体积拉伸形变作用制备聚全氟乙丙烯/微米:纳米六方氮化硼(FEP/μm:nm HBN)复合材料,研究μm:nm HBN混合导热填料在FEP基体中的分散混合效果以及μm HBN导热填料的加入对复合材料微观形貌和性能的影响。结果表明,复合材料的膜内热导率和膜间热导率随着μm HBN导热填料含量的增加呈现出先增大后减小的趋势,在混合导热填料的质量比为3:1时复合材料的膜间热导率提升到0.351 W/(m·K),膜内热导率提升到2.002 W/(m·K)。添加μm HBN导热填料之后,复合材料的拉伸强度从15.33 MPa下降到~8 MPa左右,拉伸应变从9.44%下降到6%~7%。利用体积拉伸形变作用制备聚全氟乙丙烯/六方氮化硼/聚四氟乙烯(FEP/HBN/PTFE)复合材料,研究PTFE微粉在FEP基体中的分散混合效果以及PTFE微粉的加入对复合材料微观形貌和性能的影响。结果表明,PTFE微粉均匀分散在FEP基体中,部分PTFE微粉被拉伸成丝形成连续的网络状结构,HBN导热填料在平行于复合材料膜平面的取向结构受到一定程度的破坏。复合材料的膜内热导率在导热填料含量为15%时下降到1.61 W/(m·K),而膜间热导率上升到0.434 W/(m·K)。复合材料的拉伸强度在PTFE微粉含量为15%时达到最大值14.85 MPa,与FEP基体相当,而拉伸应变则在PTFE微粉含量为20%时达到最大值11.21%。基于以上实验结果可知,利用体积拉伸形变支配的推拉混炼仪制备导热绝缘复合材料具有显著的优势,本文工作中所制备的FEP/HBN/PTFE复合材料具有良好的导热性能、优异的电绝缘性、强的力学性能和耐候性耐高温性耐化学腐蚀性等优点,在电子元器件的导热绝缘复合材料领域有着巨大的应用潜力。
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